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| 计算机辅助改良椎板钩的设计及其固定腰椎峡部裂的生物力学有限元分析 |
| 高红亮 刘华 张涛 杨成伟 王仪哲 黄子荣 章文华 陈龙 康兵 马玉轩 李松凯 |
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摘要 目的 设计改良椎板钩系统，并与传统椎板钩系统固定腰椎峡部裂的生物力学特性进行比较。
方法 收集2021年1月至2022年8月中国人民解放军联勤保障部队第九四〇医院门诊体检的20名男性健康青年军人腰骶椎薄层CT数据。受试者年龄20~30岁［（25. 0±3. 0）岁］。通过三维建模软件，建立L 5 椎体三维模型，测量L 5 双侧椎板中间区域厚度、纵向最长径、下缘弧度半径、上下面尾端之间的夹角、下缘厚度及下缘最长径，进而设计新型改良椎板钩。再选择1名上述受试者，利用三维虚拟软件建立L 4 ~S节段线性有限元模型（正常模型，A模型），并在此基础上构建L 5 双侧峡部裂模型（B模型）、改良与传统椎板钩固定模型（C、D模型）。通过约束骶骨两边，于L 4 椎体上施加400 N纵向载荷模拟身体上1/3重力及沿X、Y、Z 3个方向上10 N·m的弯矩模拟前屈、后伸、侧弯及旋转等状态，评估A模型L 4/5 节段和L 5 /S 1 节段活动度，并与既往研究进行对比，验证A模型的有效性；比较A、B、C、D模型的整体活动度、L 4/5 和L 5 /S 1 节段活动度、整体最大位移、峡部的最大位移与最大应力，C、D模型中内固定的应力分布和最大应力，以及C、D模型中椎体的应力分布和最大应力。
结果 （1）A模型L 4/5 节段在前屈、后伸、侧弯、旋转时的活动度分别为5. 01°、4. 03°、3. 91°、1. 42°，L 5 /S 1 节段活动度分别为4. 62°、2. 51°、2. 40°、1. 23°。（2）A、C、D模型的整体活动度、L 4/5 和L 5 /S 1 节段活动度、整体最大位移在轴向压缩、前屈、后伸、左侧弯及左旋转时结果相似，而B模型则明显增大。（3）A、C、D模型在不同运动状态下峡部的最大位移差异不明显，而B模型峡部的最大位移均明显高于A、C、D模型，尤其在旋转时更明显，较A、C、D模型分别增大295%、277%、276%。C模型峡部的最大应力分别为0. 938 MPa、1. 698 MPa、0. 410 MPa、2. 775 MPa、1. 554 MPa，D模型峡部最大应力分别为0. 590 MPa、1. 297 MPa、0. 520 MPa、3. 088 MPa、2. 072 MPa，C、D模型在轴向压缩、前屈时峡部最大应力相似，但C模型在后伸、侧弯、旋转时峡部应力均小于D模型，C模型较D模型分别减小21. 1%、10. 2%、25. 0%。 （4）C模型在前屈、后伸、左侧弯、左旋转时内固定最大应力分别为135. 220 MPa、130. 180 MPa、200. 940 MPa、306. 340 MPa，D模型分别为131. 840 MPa、112. 280 MPa、349. 980 MPa、370. 140 MPa，2种模型在前屈、后伸时内固定的最大应力变化相当，但在左侧弯及左侧旋转时C模型较D模型减小42. 6%、17. 2%。 （5）C模型在前屈、后伸、左侧弯、左旋转时椎体的最大应力分别为79. 787 MPa、36. 857 MPa、37. 943 MPa、96. 965 MPa，D模型椎体的最大应力分别为80. 104 MPa、64. 236 MPa、196. 010 MPa、193. 020 MPa，且2种模型最大应力均分布在与内固定接触区域，尤其在后伸、左侧弯、左旋转时C模型较D模型分别减少42. 6%、80. 6%、49. 8%。
结论 改良椎板钩更符合国人椎板解剖结构。与传统椎板钩系统相比，改良椎板钩系统能有效降低腰椎峡部裂在各方向的位移及活动度，使内固定及椎体的应力明显减小，具有更好的生物力学性能。
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